[发明专利]一种单颗粒光催化材料、单分子荧光检测方法及其检测装置与应用

说明书

本发明涉及单分子荧光检测技术领域，尤其涉及一种单颗粒光催化材料、单分子荧光检测方法及其检测装置与应用。本发明通过构建单颗粒TiO₂负载碳纳米管催化反应体系，从单分子水平上实时、原位可视化分析单颗粒催化剂表面光致电子传输过程。本发明基于微流控芯片和全内反射荧光显微镜装置系统，成功构建单颗粒催化剂表面光致电子传输的原位、可视化检测模型。通过采集的单分子荧光信号，从时间尺度上分析光致电子的产生和传输速率；进一步研究了异质性结构和缺陷效应对电子传输过程的影响，在催化剂结构和光致电子传输行为之间建立构效关系，为深入探究催化反应机理提供新的思路，为指导设计高效催化剂提供新的方法。

技术领域

本发明涉及单分子荧光检测技术领域，尤其涉及一种单颗粒光催化材料、单分子荧光检测方法及其检测装置与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

光催化反应的基本过程包括：光激发电子-空穴对分离、光致电子和空穴转移到催化剂颗粒表面以及在催化剂表面引发氧化还原反应。其中光致电子的产生、分离和传输行为与催化剂结构组成密切相关，是决定催化反应效率的关键因素。近年来的研究热点是基于调控催化剂颗粒尺寸与比表面积、构建异质性结构、掺入金属或非金属杂质和丰富催化剂活性位点等方式，设计合成具有高效质荷分离能力的催化剂，用于提升光催化反应性能。但是目前催化剂的尺寸、缺陷和异质结等本征因素以及光照、流速和溶液浓度等外界因素对光催化反应体系中光致电子产生、传输、重组、分布的影响机制并不明确。因此，研究光催化反应过程中光致电子的传输途径，分析影响光致电子传输的关键因素，对于深入理解光催化反应机理、指导设计合成新型光催化剂和表征新的光催化过程具有重要意义。

由于催化剂颗粒表面产生的光致电子具有高活性、低含量、寿命短等特点，对其精准定量分析一直是研究难点。传统的检测方法主要是基于宏观水平分析电子传输动力学，例如瞬态吸收光谱(TAS)、瞬态光电流(TPC)、光致发光光谱(PL)、瞬态表面光电压(TSPV)、电化学阻抗(EIS)等方式，即通过电化学和光谱学技术对催化剂颗粒的电子传输行为进行整体表征。然而，宏观检测方法得到的总响应信号会掩盖单颗粒催化剂形态、组成和结构的复杂性，忽略催化剂普遍存在的异质性(缺陷效应、异质结效应与晶面效应等)，极大限制了我们对单颗粒催化剂表面光致电子传输速率与传输范围的进一步认识。因此，为了深入理解光致电子传输过程与催化剂本征特点、环境因素的构效关系，详细阐释光致电子的传输动力学，基于单颗粒水平研究光致电子传输行为是非常有必要的。

单分子/单颗粒荧光成像技术具有高检测灵敏度、高时空分辨率、可视化分析个体行为差异等优点，被广泛应用于在单分子生物检测、药物示踪、单颗粒纳米催化等研究领域。单分子/单颗粒荧光检测方法实现了催化反应体系从宏观到微观、从整体到个体的实时原位成像。研究者利用单分子/单颗粒荧光检测方法，阐述了单个纳米催化剂表面活性位点的分布差异；分析了单个纳米粒子表面的各种催化行为和动力学过程；检测了单催化剂颗粒表面的活性氧物种。

发明内容

本发明解决的问题：现有的单分子/单颗粒荧光检测方法尚未实现催化剂颗粒表面光致电子实时原位传感，对于精准分析催化剂表面光致电子产生、转移与传输过程，深度理解光催化反应机制，指导设计高效催化剂仍带来不便。因此，迫切需要建立一种高通量、高灵敏度和高空间分辨率的原位检测方法，用于研究单颗粒催化剂表面光致电子传输过程。为此，本发明提出了一种单颗粒光催化材料、单分子荧光检测方法及其检测装置与应用，能够实现快速、高灵敏度、高分辨率地检测光致电子传输行为，并且可以量化光致电子传输速率和传输范围。

为实现上述发明目的，具体地，本发明公开了以下技术方案：

本发明的第一个方面，公开单颗粒光催化材料，其是由单颗粒TiO₂负载在多壁碳纳米管(MWCNT)上形成。